JP4079144B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、燃料を噴孔から噴射する燃料噴射弁に関し、特に、噴射弁内部を流れる燃料にキャビテーション気泡を発生させる燃料噴射弁に関する。

燃料噴霧の微粒化を促進させるために、噴射弁内部を流れる燃料にキャビテーション気泡を発生させる燃料噴射弁が提案されており、その従来例が下記特許文献１，２及び非特許文献１に開示されている。特許文献１の燃料噴射弁は、燃料にキャビテーション気泡を発生させるためのキャビテーション発生部と、このキャビテーション発生部で発生したキャビテーション気泡を消滅させるためのキャビテーション消滅部と、を有する。特許文献１の燃料噴射弁においては、キャビテーション気泡の消滅時に発生する衝撃圧力によって噴孔内の燃料流れに乱れを与えることで、燃料噴霧の微粒化の促進を図っている。

特許文献２の燃料噴射弁においては、噴孔を上流側の第１噴孔部と下流側の第２噴孔部に分けた構成としており、第２噴孔部の断面積を第１噴孔部の断面積よりも拡大することで、第２噴孔部の内壁と第１噴孔部から流出する燃料噴流との間に燃料を収容する収容部を形成する。そして、この収容部に収容された燃料と第１噴孔部から流出する燃料噴流との速度差により生じるせん断層内でキャビテーション気泡を発生させる。こうして燃料噴流の外周表面近傍にキャビテーション気泡を形成し、それらが崩壊する際のエネルギーを燃料噴霧の微粒化に利用している。

非特許文献１の燃料噴射弁においては、噴孔の構成を、上流側噴孔と下流側噴孔との間に間隙部を設けた構成としている。上流側噴孔にて発生したキャビテーション気泡は、間隙部にて燃料流れの減衰及び圧力回復が起こることで崩壊する。さらに、噴孔内部に凸型のピンを設けていることで、下流側噴孔においてもキャビテーション気泡が崩壊する。このキャビテーション気泡の崩壊によって噴孔内の燃料流れに乱れを与えることで、燃料噴霧の微粒化の促進を図っている。

特開２００３−８３２０５号公報 特開２００４−１９４８１号公報 N.Tamaki他,"Atomization Enhancement of the Spray and Improvement of the Spray Characteristics by Cavitation and Pin Inserted in the Nozzle Hole",ICLASS 2003

噴射後の燃料噴流の全域においてキャビテーション崩壊による燃料噴霧の微粒化促進作用を効果的に得るためには、キャビテーション気泡が均質（あるいは均質に近い状態）に混合された燃料を噴孔から噴射することが望ましい。

特許文献１及び非特許文献１の燃料噴射弁においては、噴射弁内部でキャビテーション気泡が消滅するため、噴孔出口より下流側では液体のみの燃料噴流となる。そのため、噴射後の燃料噴流では、キャビテーション崩壊による燃料噴霧の微粒化促進作用を得ることが困難となる。

特許文献２の燃料噴射弁においては、キャビテーション混じりの燃料を噴孔から噴射することはできるが、キャビテーション気泡の形成領域は燃料噴流の外周表面近傍に限定され、燃料噴流の中心部付近には液相の芯が残る。そのため、噴射後の燃料噴流の広範囲においてキャビテーション崩壊による燃料噴霧の微粒化促進作用を得ることが困難となる。

本発明は、噴射された燃料噴霧の微粒化をより促進させることができる燃料噴射弁を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料噴射弁は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る燃料噴射弁は、燃料を噴孔から噴射する燃料噴射弁であって、噴射弁内部を流れる燃料にキャビテーション気泡を発生させるためのキャビテーション発生流路と、キャビテーション発生流路及び噴孔と連通し、キャビテーション発生流路により発生させたキャビテーション気泡を保持する気泡保持流路と、を有し、キャビテーション発生流路から気泡保持流路に移行する際の流路を急拡大させており、気泡保持流路は、キャビテーション発生流路を流れる燃料噴流の方向に対して噴孔への流出口がキャビテーション発生流路から気泡保持流路に移行する際の流路を急拡大させた方向へオフセットした状態で、キャビテーション発生流路及び噴孔と連通し、内部に渦を形成して渦中心付近にキャビテーション気泡を保持する流路であり、気泡保持流路内に保持されたキャビテーション気泡を含む燃料を噴孔から噴射することを要旨とする。

本発明においては、キャビテーション発生流路により発生させたキャビテーション気泡は、気泡保持流路に一旦保持され、液相の燃料と混合されて噴孔に導入される。その結果、気液混合状態の燃料を噴孔から噴射することができる。したがって、本発明によれば、噴射後の燃料噴流の全域においてキャビテーション崩壊による燃料噴霧の微粒化促進作用を効果的に得ることができるので、噴射された燃料噴霧の微粒化をより促進させることができる。

本発明に係る燃料噴射弁において、気泡保持流路は、キャビテーション発生流路を流れる燃料噴流の方向に対して噴孔への流出口がオフセットした状態で、キャビテーション発生流路及び噴孔と連通するものとすることもできる。こうすれば、キャビテーション発生流路からの燃料噴流がそのまま噴孔へ流出するのを抑止することができる。

本発明に係る燃料噴射弁において、気泡保持流路の断面積がキャビテーション発生流路の断面積より大きい状態で、燃料を噴孔から噴射するものとすることもできる。こうすれば、気泡保持流路内に縦渦を形成することができ、周囲より低圧な渦中心付近にキャビテーション気泡を保持することができる。

本発明に係る燃料噴射弁において、噴孔の断面積がキャビテーション発生流路の断面積より大きい状態で、燃料を噴孔から噴射するものとすることもできる。こうすれば、気泡保持流路に流入する燃料噴流にキャビテーション気泡を効果的に発生させることができる。

本発明に係る燃料噴射弁において、キャビテーション発生流路の入口部の断面積が気泡保持流路側へ向かうにつれて徐々に減少するものとすることもできる。こうすれば、キャビテーション発生流路の流量係数を高くすることができるので、気泡保持流路に流入する燃料噴流におけるキャビテーション気泡の発生を増加させることができる。

本発明に係る燃料噴射弁において、キャビテーション発生流路の断面積が気泡保持流路側へ向かうほど小さいものとすることもできる。こうすれば、キャビテーション発生流路の流量係数を高くすることができるので、気泡保持流路に流入する燃料噴流におけるキャビテーション気泡の発生を増加させることができる。

本発明に係る燃料噴射弁において、気泡保持流路は、キャビテーション発生流路を流れる燃料噴流とほぼ対向している壁面の形状が噴孔への流出口にかけて湾曲した曲面形状を呈するものとすることもできる。こうすれば、気泡保持流路内におけるキャビテーション気泡の消滅を抑制することができる。

本発明に係る燃料噴射弁において、噴射弁内部を流れる燃料に旋回流を発生させるための旋回流発生流路がキャビテーション発生流路より上流部またはキャビテーション発生流路に形成されているものとすることもできる。こうすれば、噴射弁周方向の流量分布の偏りを緩和させることができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１，２は、本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の構成の概略を示す図である。図１は内部構成の概略を示し、図２はノズルボディ先端部の構成の概略を示す。本実施形態に係る燃料噴射弁は、外開弁形式の燃料噴射弁であり、例えば内燃機関にて用いられるものである。

バルブハウジング３１の内部にはノズルボディ７が配設されている。ノズルボディ７の先端部には噴孔３が形成されている。ノズルボディ７の中心部に形成された中空部にはピントル５が内挿されており、ピントル５はノズルボディ７の内周面に沿って摺動可能な状態で支持されている。ピントル５の一端はプランジャ８と接続されており、ピントル５の他端にはポペット弁６が配設されている。ピントル５には、ばね４によるプランジャ８側（図１の上側）への付勢力が作用している。

燃料ポンプ（図示せず）により圧送された燃料は、ノズルボディ７に形成された燃料供給流路３２を通って燃料溜り３３に流入する。ここで、ピエゾアクチュエータ（図示せず）を駆動していない場合は、ピントル５がばね４によりプランジャ８側（図１の上側）へ付勢されていることで、ポペット弁６がノズルボディ７のシート部と密着しており、噴孔３が閉じている（閉弁状態）。この場合は、燃料が噴孔３から噴射されない。一方、ピエゾアクチュエータを駆動した場合は、プランジャ８に噴孔３側（図１の下側）への駆動力が作用することで、ピントル５が噴孔３側（図１の下側）へ駆動される。そのため、ポペット弁６がノズルボディ７のシート部から離れ、噴孔３が開く（開弁状態）。この場合は、燃料溜り３３に貯溜された燃料が噴孔３から噴射される。

本実施形態においては、燃料噴射時にノズルボディ７内部を流れる燃料にキャビテーション気泡を発生させる。そのために、ノズルボディ７の内周面における燃料溜り３３より下流位置にピントル５側へ突出した凸部３４を形成することで、キャビテーション気泡を発生させるためのキャビテーション発生流路１を燃料溜り３３より下流側に形成する。この凸部３４により、燃料溜り３３からキャビテーション発生流路１に移行する際の流路断面積がステップ的に減少（急縮小）し、且つキャビテーション発生流路１からその下流側流路に移行する際の流路断面積がステップ的に増大（急拡大）する。

さらに、本実施形態においては、キャビテーション発生流路１により発生させたキャビテーション気泡の消滅を抑止するために、キャビテーション気泡を保持する気泡保持流路２をキャビテーション発生流路１より下流側に形成する。この気泡保持流路２は、その流入口にてキャビテーション発生流路１と連通し、その流出口にて噴孔３と連通する。そして、気泡保持流路２の流路断面積（最小断面積）は、キャビテーション発生流路１の流路断面積（最小断面積）よりも大きい。さらに、気泡保持流路２の流出口は、キャビテーション発生流路１を流れる燃料噴流の方向に対して噴射弁径方向の外側へオフセットした位置に設けられている。すなわち、キャビテーション発生流路１を流れる燃料噴流と対向する位置には、気泡保持流路２の流出口が設けられておらず、気泡保持流路２の壁面（ポペット弁６の外周面）が形成されている。

図２の構成では、気泡保持流路２の流路断面積をキャビテーション発生流路１の流路断面積より噴射弁径方向の外側へ急拡大している。そして、気泡保持流路２については、キャビテーション発生流路１からの流入口が内周側（ピントル５側）に配置されているのに対して、噴孔３への流出口が外周側（ノズルボディ７側）に配置されている。また、キャビテーション発生流路１を流れる燃料噴流の方向に対して噴孔３を流れる燃料噴流の方向が斜めになるように、噴孔３の角度が設定されている。

次に、本実施形態に係る燃料噴射弁の動作について説明する。

噴孔３が閉じている閉弁状態では、噴射弁内部が液相状態の燃料で満たされている。その状態からピエゾアクチュエータを駆動して噴孔３を開けると、燃料の流れ場の形成に伴い気泡保持流路２の圧力が徐々に低下し、キャビテーション発生流路１の流入口と流出口との間において差圧が発生する。この差圧の発生により、図３に示すように、キャビテーション発生流路１の流入口角部（凸部３４の角部）からキャビテーション気泡が発生し始める。差圧がさらに増大すると、図３に示すように、キャビテーション発生流路１の流出口から流出する燃料噴流とその周囲の燃料とのせん断層においてもキャビテーション気泡が発生する。

本実施形態では、気泡保持流路２の流路断面積（最小断面積）をキャビテーション発生流路１の流路断面積（最小断面積）より大きくし、キャビテーション発生流路１の流出口を急拡大流れとすることで、図３に示すように、気泡保持流路２内に縦渦が形成され、周囲より低圧な渦中心付近にキャビテーション気泡が保持される。また、縦渦の中心部においてもキャビテーション気泡が発生する。さらに、気泡保持流路２内で強い縦渦を形成するために、キャビテーション発生流路１を流れる燃料噴流の方向に対して気泡保持流路２の噴孔３への流出口をオフセットさせることで、キャビテーション発生流路１からの燃料噴流がそのまま噴孔３へ流出することを抑止している。

気泡保持流路２の燃料液体とキャビテーション気泡は混合されて噴孔３に導入され、図３に示すように、気液混合状態の燃料が噴孔３から噴射される。図２の構成では、キャビテーション発生流路１から気泡保持流路２へ移行する際の流路断面積を噴射弁径方向の外側へ急拡大しているため、気泡保持流路２の外周側に渦が形成される。そのため、気泡保持流路２では、外周側でキャビテーション気泡のボイド率（体積分率）が内周側より相対的に高くなる。そこで、噴孔３への流出口を気泡保持流路２の外周部に配置することで、キャビテーション気泡を多く含む燃料流れを噴孔３に導入することができる。

次に、本願発明者が行った実験結果及び数値解析結果について説明する。

ここで、キャビテーション発生流路１のキャビテーション数Ｃｎを以下の（１）式で定義する。ただし、（１）式において、Ｐ１は燃料溜り３３の圧力（噴射設定圧力）、Ｐ２は気泡保持流路２の圧力（平均圧力）、Ｐｖは燃料の飽和蒸気圧（使用温度における飽和蒸気圧）である。

Ｃｎ＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ２−Ｐｖ） （１）

そして、流入口で流路断面積が急縮小し且つ流出口で流路断面積が急拡大するノズルを流れる液体について、キャビテーション気泡の発生状態を流れの可視化実験により調べた。その実験結果を図４に示す。ノズルの流入口と流出口との差圧を増大させてキャビテーション数Ｃｎを徐々に増大させると、図４（Ａ）に示すように、キャビテーション数Ｃｎ＝１程度でノズルの流入口角部からキャビテーション気泡が発生し始める。差圧をさらに増大させてキャビテーション数Ｃｎをさらに増大させると、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）に示すように、キャビテーション数Ｃｎ≧１．７程度でノズル流出口からの噴流とその周囲の液体とのせん断層においてもキャビテーション気泡が発生する。そこで、キャビテーション発生流路１によりキャビテーション気泡を効率よく発生させるためには、（１）式で定義されるキャビテーション数Ｃｎが１．７以上であることが好ましい。

ここで、キャビテーション発生流路１の流量係数をＣ１（キャビテーション発生流路１の形状により決まる）、噴孔３の流量係数をＣ２（噴孔３の形状により決まる）、キャビテーション発生流路１の流路断面積（最小断面積）をＡ１、燃料噴射時の噴孔３の流路断面積（最小断面積）をＡ２、燃料が噴射される雰囲気圧力をＰａ、燃料の密度をρとすると、連続の式から以下の（２）式が成立する。

（２）式を変形すると、以下の（３）式が得られる。

（３）式は、キャビテーション発生流路１と噴孔３との流路断面積比Ａ１／Ａ２により気泡保持流路２の圧力（平均圧力）Ｐ２の調整が可能であることを示している。したがって、流路断面積比Ａ１／Ａ２によりキャビテーション数Ｃｎの調整が可能である。そこで、（１）式で算出されるキャビテーション数Ｃｎが１．７以上となるように、燃料溜り３３の圧力（噴射設定圧力）Ｐ１、及びキャビテーション発生流路１と噴孔３との流路断面積比Ａ１／Ａ２を設定することが好ましい。そのためには、噴孔３の流路断面積（最小断面積）Ａ２がキャビテーション発生流路１の流路断面積（最小断面積）Ａ１より大きい状態で燃料を噴孔３から噴射するように、ポペット弁６のフルリフト量を設定することが少なくとも必要である。

次に、噴射設定圧力Ｐ１＝１２ＭＰａ、雰囲気圧力Ｐａ＝１．２ＭＰａ、噴射時の流路断面積比Ａ１／Ａ２＝０．５、キャビテーション発生流路１の出口幅ｘ＝２５μｍ、気泡保持流路２の長さｙ＝２５０μｍの条件で、気泡のボイド率（体積分率）の数値解析を行った結果を図５に示す。図５に示すように、噴射開始後０．１ｍｓ以内に気液混合状態の燃料を噴孔３から噴射できていることがわかる。また、ポペット弁６のフルリフト定常状態における噴孔３出口の気泡のボイド率は約０．５であり、ほぼ均質に気液が混合した燃料が噴孔３から噴射されることが数値解析により確認された。

また、気泡保持流路２の長さｙを１０００μｍに変更して気泡のボイド率（体積分率）の数値解析を行った結果を図６に示す。図６に示すように、気泡保持流路２の長さｙが極端に大きくなりすぎると、気泡保持流路２内部で気泡が崩壊し、燃料が液相状態で噴孔３に導入されることになる。そのため、気泡保持流路２の長さｙについては、気泡保持流路２内部で気泡が崩壊しない程度に小さく設定することが望ましい。

以上説明したように、本実施形態においては、キャビテーション発生流路１により発生させたキャビテーション気泡を、噴射弁内部で崩壊させずに気泡保持流路２に一旦保持し、液相の燃料と混合して噴孔３に導入する。これによって、燃料を気液混合状態で噴孔３から噴射することができるので、噴射後の燃料噴流の全域においてキャビテーション崩壊による燃料噴霧の微粒化促進作用を効果的に得ることができる。したがって、噴射された燃料噴霧の微粒化をより促進させることができる。さらに、キャビテーション崩壊による微粒化促進作用を損なうことなく噴霧貫徹力を低減することができ、燃料の壁面付着を減らすことができる。

そして、本実施形態においては、キャビテーション発生流路１から気泡保持流路２へ移行する際の流れを急拡大流れとすることで、気泡保持流路２内に縦渦を形成することができ、周囲より低圧な渦中心付近にキャビテーション気泡を保持することができる。さらに、キャビテーション発生流路１を流れる燃料噴流の方向に対して気泡保持流路２の噴孔３への流出口をオフセットさせることで、気泡保持流路２内で強い縦渦を形成することができるとともに、キャビテーション発生流路１からの燃料噴流がそのまま噴孔３へ流出するのを抑止することができる。

また、本実施形態においては、噴孔３の流路断面積Ａ２がキャビテーション発生流路１の流路断面積Ａ１より大きい状態で燃料を噴孔３から噴射することで、キャビテーション気泡を効果的に発生させることができる。さらに、（１）式で算出されるキャビテーション数Ｃｎが１．７以上となるように、燃料溜り３３の圧力（噴射設定圧力）Ｐ１、及び流路断面積比Ａ１／Ａ２を設定することで、キャビテーション気泡をより効果的に発生させることができる。

次に、本実施形態の他の構成例について説明する。

図７に示すノズルボディ先端部の構成においては、凸部３４の上流側の角部に曲面（Ｒ）が形成されていることで、キャビテーション発生流路１の入口部の流路断面積が気泡保持流路２側へ向かうにつれて徐々に減少している。この構成により、キャビテーション発生流路１の流量係数を高くすることができるので、キャビテーション発生流路１の流出口から流出する燃料噴流の速度を増大させることができる。したがって、キャビテーション発生流路１の流出口から流出する燃料噴流とその周囲の燃料とのせん断層におけるキャビテーション気泡の発生を促進させることができるので、噴射後の燃料噴流においてキャビテーション崩壊による燃料噴霧の微粒化をさらに促進させることができる。

図８に示すノズルボディ先端部の構成においては、キャビテーション発生流路１の外周側壁面の形状を先細りのテーパ形状とすることで、キャビテーション発生流路１の流路断面積が気泡保持流路２側へ向かうほど小さくなっている。この構成によっても、キャビテーション発生流路１の流量係数を高くすることができるので、キャビテーション発生流路１の流出口から流出する燃料噴流とその周囲の燃料とのせん断層におけるキャビテーション気泡の発生を促進させることができる。なお、図９のノズルボディ先端部の構成は、図７に示す構成と図８に示す構成を組み合わせた場合を示す。

図１０に示すノズルボディ先端部の構成においては、ピントル５とポペット弁６との境界部に曲面形状のスロープを形成することで、気泡保持流路２の壁面の形状が、キャビテーション発生流路１を流れる燃料噴流とほぼ対向している部分から噴孔３への流出口にかけて湾曲した曲面形状を含んでいる。キャビテーション気泡混じりの燃料噴流が気泡保持流路２の壁面に衝突すると、圧力上昇によって気相が再び液化することになる。そこで、燃料噴流が衝突する部分から噴孔３への流出口にかけての気泡保持流路２の壁面の形状を、気泡保持流路２外側へ湾曲した曲面形状とすることで、燃料流れの方向を滑らかに変化させて気相の液化を抑制することができる。したがって、噴射後の燃料噴流においてキャビテーション崩壊による燃料噴霧の微粒化をさらに促進させることができる。なお、前述の条件による数値解析結果では、図１０に示す構成における噴孔３出口の気泡のボイド率は図２に示す構成に対して約０．１増加し、より良好な気液混合状態とすることができた。

図１１に示すノズルボディ先端部の構成においては、噴射弁内部を流れる燃料に噴射弁周方向の旋回流を発生させるためのスワーラ（旋回流発生流路）３５がキャビテーション発生流路１より上流部に形成されている。また、図１２に示すノズルボディ先端部の構成においては、このスワーラ３５がキャビテーション発生流路１に形成されている。この図１１，１２に示す構成によれば、燃料流れに噴射弁周方向の旋回流を発生させることができるので、噴射弁周方向の流量分布の偏りを緩和させることができる。

図１３に示すノズルボディ先端部の構成においては、ピントル５の径をステップ的に増大させることで、キャビテーション発生流路１の流入口にて流路断面積を急縮小している。そして、ノズルボディ７の中空部の径をステップ的に増大させることで、キャビテーション発生流路１の流出口にて流路断面積を急拡大している。また、図１４に示すノズルボディ先端部の構成においては、図１３に示す構成と比較して、ノズルボディ７の中空部の径をステップ的に増大させるとともにピントル５の径をステップ的に減少させることで、キャビテーション発生流路１の流出口にて流路断面積を急拡大している。

図１５に示すノズルボディ先端部の構成においては、ノズルボディ７の内周面におけるポペット弁６と対向する位置にポペット弁６側へ突出した凸部３６を形成することで、流入口にて流路断面積が急縮小するとともに流出口にて流路断面積が急拡大するキャビテーション発生流路１を形成している。そして、ポペット弁６に段差を形成してポペット弁６の径をステップ的に増大させることで、気泡保持流路２の流出口をキャビテーション発生流路１を流れる燃料噴流の方向に対して噴射弁径方向の外側へオフセットさせている。また、図１６に示すノズルボディ先端部の構成においては、図１５に示す構成と比較して、ポペット弁６に段差を形成する代わりに曲面形状のスロープを形成している。これによって、キャビテーション発生流路１を流れる燃料噴流とほぼ対向している部分から噴孔３への流出口にかけての気泡保持流路２の壁面の形状を、気泡保持流路２外側へ湾曲した曲面形状としている。この図１６に示す構成によれば、気泡保持流路２内における燃料流れの方向を滑らかに変化させて気相の液化を抑制することができる。なお、図１５，１６に示す構成においては、噴孔３を流れる燃料噴流の方向がキャビテーション発生流路１を流れる燃料噴流の方向と略平行になる。

図１７に示すノズルボディ先端部の構成においては、ポペット弁６の径をステップ的に減少させることで、キャビテーション発生流路１の流出口にて流路断面積を噴射弁径方向の内側へ急拡大している。そして、ノズルボディ７の内周面をポペット弁６側へ突出させることで、気泡保持流路２の流出口をキャビテーション発生流路１を流れる燃料噴流の方向に対して噴射弁径方向の内側へオフセットさせている。また、図１８に示すノズルボディ先端部の構成においては、図１７に示す構成と比較して、ノズルボディ７の内周面をポペット弁６側へ突出させて気泡保持流路２の流出口を燃料噴流の方向に対してオフセットさせる場合に、曲面形状のスロープをノズルボディ７の内周面に形成している。これによって、気泡保持流路２の壁面の形状が、キャビテーション発生流路１を流れる燃料噴流とほぼ対向している部分から噴孔３への流出口にかけて湾曲した曲面形状を含んでいる。この図１８に示す構成によれば、気泡保持流路２内における燃料流れの方向を滑らかに変化させて気相の液化を抑制することができる。なお、図１７，１８に示す構成の気泡保持流路２については、キャビテーション発生流路１からの流入口が外周側（ノズルボディ７側）に配置されるのに対して、噴孔３への流出口が内周側（ポペット弁６側）に配置される。

以上の説明では、本発明を外開弁形式の燃料噴射弁に適用した場合を説明した。ただし、以下に説明するように、本発明を内開弁形式の燃料噴射弁に適用することもできる。

図１９は、本発明を内開弁形式の燃料噴射弁に適用した場合の概略構成を示し、図１９（Ａ）は内部構成の概略を示す図であり、図１９（Ｂ），（Ｃ）は噴孔１０５が形成されたプレート１０９の概略構成を示す断面図である。ノズルボディ１１０の中空部にはニードル１０１が内挿されており、ニードル１０１はノズルボディ１１０の内周面に沿って摺動可能な状態で支持されている。ニードル１０１は図示しない電磁アクチュエータにより駆動可能であり、燃料を噴射しないとき（電磁アクチュエータを駆動しないとき）は、ニードル１０１はノズルボディ１１０のシート部１０６に密着している。

図１９に示す構成においては、ニードル１０１の先端に円筒形状の突起部１０２が設けられており、この突起部１０２とノズルボディ１１０との間に環状隙間が形成されることで、燃料にキャビテーション気泡を発生させるためのキャビテーション発生流路１０３がシート部１０６より下流側に形成される。そして、ノズルボディ１１０の先端部には、円筒形状の中空部が形成されたプレート１０８が取り付けられている。ニードル１０１の先端の突起部１０２はプレート１０８の中空部を通されており、突起部１０２とプレート１０８との間に環状隙間が形成されることで、キャビテーション気泡を保持するための気泡保持流路１０４がキャビテーション発生流路１０３より下流側に形成される。そして、気泡保持流路１０４の流路断面積をキャビテーション発生流路１０３の流路断面積より噴射弁径方向の外側へ急拡大している。

さらに、プレート１０８には、噴孔１０５が形成されたプレート１０９が取り付けられている。噴孔１０５は気泡保持流路１０４と連通する位置に形成されており、さらに、噴孔１０５の流入口（気泡保持流路１０４の流出口）は、キャビテーション発生流路１０３を流れる燃料噴流の方向に対して噴射弁径方向の外側へオフセットした位置に形成されている。すなわち、気泡保持流路１０４については、キャビテーション発生流路１０３からの流入口が内周側（ニードル１０１側）に配置されているのに対して、噴孔１０５への流出口が外周側（プレート１０８側）に配置されている。なお、プレート１０８とプレート１０９とを一体化することもできる。

ここでの噴孔１０５の形状は、例えば図１９（Ｂ）に示すようにプレート１０９の周方向に配列された複数のスリット状噴孔であってもよいし、図１９（Ｃ）に示すようにプレート１０９の周方向に配列された複数の円状噴孔であってもよい。このように、噴孔１０５の形状は特に限定されるものではない。そして、複数の噴孔１０５の流路断面積（最小断面積）の合計値Ａ２は、キャビテーション発生流路１０３の流路断面積（最小断面積）Ａ１より大きく設定されている。また、キャビテーション発生流路１０３を流れる燃料噴流の方向に対して噴孔１０５を流れる燃料噴流の方向が斜めになるように、噴孔１０５の角度が設定されている。

以上の構成により、キャビテーション発生流路１０３、気泡保持流路１０４、及び噴孔１０５がノズルボディ１１０のシート部１０６より下流側に形成される。なお、他の構成については、外開弁形式の場合と実質的に同様の構成で実現可能であるため説明を省略する。

次に、図１９に示す構成の燃料噴射弁の動作について説明する。

燃料を噴射するときは、図示しない電磁アクチュエータによりニードル１０１を駆動することで、ニードル１０１がノズルボディ１１０のシート部１０６から離れ、燃料溜り１３３に貯溜された燃料がキャビテーション発生流路１０３を通って気泡保持流路１０４に流入する。噴射開始時には、気泡保持流路１０４の圧力Ｐ２は雰囲気圧力Ｐａに等しく、キャビテーション発生流路１０３の流入口の圧力（燃料溜り１３３の圧力）Ｐ１とキャビテーション発生流路１０３の流出口の圧力（気泡保持流路１０４の圧力）Ｐ２との差が最も大きくなる。そのため、噴射開始時において（１）で定義されるキャビテーション数Ｃｎが最も大きくなり、キャビテーション発生流路１０３でキャビテーション気泡を発生しやすくなる。

気泡保持流路１０４が燃料で満たされている場合は、前述の外開弁形式の場合と同様に、キャビテーション発生流路１０３の流出口から流出するキャビテーション気泡混じりの燃料噴流とその周囲の燃料とのせん断層においてキャビテーション気泡がさらに発生する。そして、気泡保持流路１０４内に縦渦が形成され、周囲より低圧な渦中心付近にキャビテーション気泡が保持される。また、縦渦の中心部においてもキャビテーション気泡が発生する。気泡保持流路２の燃料液体とキャビテーション気泡は混合されて噴孔１０５に導入され、気液混合状態の燃料が噴孔１０５から噴射される。

一方、気泡保持流路１０４が燃料で満たされていない場合は、キャビテーション発生流路１０３から噴出したキャビテーション気泡混じりの燃料が気泡保持流路１０４を満たしつつ噴孔１０５から噴射される。その後、気泡保持流路１０４がほぼ燃料で満たされると、前述の気泡保持流路１０４が燃料で満たされている場合と同様の挙動を示す。

なお、以上の動作においては、前述の外開弁形式の場合と同様に、（１）式で算出されるキャビテーション数Ｃｎが１．７以上となるように、燃料溜り１３３の圧力（噴射設定圧力）Ｐ１、及びキャビテーション発生流路１０３と噴孔１０５との流路断面積比Ａ１／Ａ２を設定することが好ましい。

以上に説明した内開弁形式の燃料噴射弁においても、燃料を気液混合状態で噴孔１０５から噴射することができるので、噴射後の燃料噴流の全域においてキャビテーション崩壊による燃料噴霧の微粒化促進作用を効果的に得ることができる。さらに、キャビテーション崩壊による微粒化促進作用を損なうことなく噴霧貫徹力を低減することができ、燃料の壁面付着を減らすことができる。また、気泡保持流路１０４内に強い縦渦を形成することができるとともに、キャビテーション発生流路１０３からの燃料噴流がそのまま噴孔１０５へ流出するのを抑止することができる。

次に、内開弁形式の燃料噴射弁における他の構成例について説明する。

図２０に示すノズルボディ先端部の構成においては、図１９に示す構成と比較して、ニードル１０１の突起部１０２が省略されている。ここで、図２０（Ａ）は内部構成の概略を示す図であり、図２０（Ｂ）は気泡保持流路１０４が形成されたプレート１０８の概略構成を示す断面図であり、図２０（Ｃ）は噴孔１０５が形成されたプレート１０９の概略構成を示す断面図である。図２０に示す構成においては、ニードル１０１がシート部１０６から離れたときにニードル１０１とシート部１０６との間に形成される流路がキャビテーション発生流路１０３の機能を果たす。この場合は、ニードル１０１のフルリフト状態においてキャビテーション発生流路１０３（ニードル１０１とシート部１０６との間の流路）の流路断面積（最小断面積）Ａ１が複数の噴孔１０５の流路断面積（最小断面積）の合計値Ａ２より小さくなるように、ニードル１０１のフルリフト量を設定する。さらに、（１）式で算出されるキャビテーション数Ｃｎが１．７以上となるように、ニードル１０１のフルリフト量を設定することが好ましい。

図２１に示すノズルボディ先端部の構成においては、キャビテーション発生流路１０３が形成されたプレート１０７がノズルボディ１１０の先端部に取り付けられており、気泡保持流路１０４及び噴孔１０５が形成されたプレート１０９がプレート１０７に取り付けられている。ここで、図２１（Ａ）は内部構成の概略を示す図であり、図２１（Ｂ）はプレート１０７の概略構成を示す断面図であり、図２１（Ｃ）はプレート１０９の概略構成を示す断面図である。そして、複数のキャビテーション発生流路１０３がプレート１０７の周方向に配列されている。ここでは各キャビテーション発生流路１０３の断面形状が円状である場合を示しているが、キャビテーション発生流路１０３の形状は特に限定されるものではない。また、プレート１０９に環状の溝が形成されることで気泡保持流路１０４が形成されており、この気泡保持流路１０４と連通する複数の噴孔１０５がプレート１０９の周方向に配列されている。ここでは各噴孔１０５の流入口（気泡保持流路１０４の流出口）を各キャビテーション発生流路１０３を流れる燃料噴流の方向に対してプレート１０７，１０９の径方向（外側）へオフセットさせた場合を示しているが、各噴孔１０５の流入口を燃料噴流の方向に対してプレート１０７，１０９の周方向にオフセットさせることもできる。また、複数の噴孔１０５の流路断面積（最小断面積）の合計値Ａ２は、複数のキャビテーション発生流路１０３の流路断面積（最小断面積）の合計値Ａ１より大きく設定されている。さらに、（１）式のキャビテーション数Ｃｎが１．７以上となるように、燃料溜り１３３の圧力（噴射設定圧力）Ｐ１、及び流路断面積比Ａ１／Ａ２を設定することが好ましい。この図２１に示す構成によれば、キャビテーション発生流路１０３をノズルボディ１１０と別部品であるプレート１０７に形成することで、キャビテーション発生流路１０３の加工精度を向上させることができるとともに、加工コストを低減することができる。

図２２に示すノズルボディ先端部の構成においては、中央部が円状に窪んだ凹状のプレート１０９と円筒状の突起部が形成された凸状のプレート１０７とを組み合わせることで、環状の気泡保持流路１０４を形成している。また、図２３に示すノズルボディ先端部の構成においては、複数のキャビテーション発生流路１０３がプレート１０７に直線状に配列されているとともに、複数の噴孔１０５がプレート１０９に直線状に配列されている。ここで、図２３（Ａ）は内部構成の概略を示す図であり、図２３（Ｂ）はプレート１０７の概略構成を示す断面図であり、図２３（Ｃ）はプレート１０９の概略構成を示す断面図である。

図２４に示すノズルボディ先端部の構成においては、図２０に示す構成と比較して、キャビテーション発生流路１０３が形成されたプレート１０７がノズルボディ１１０とプレート１０８との間にさらに設けられている。ここで、図２４（Ａ）は内部構成の概略を示す図であり、図２４（Ｂ）はキャビテーション発生流路１０３が形成されたプレート１０７の概略構成を示す断面図であり、図２４（Ｃ）は気泡保持流路１０４が形成されたプレート１０８の概略構成を示す断面図であり、図２４（Ｄ）は噴孔１０５が形成されたプレート１０９の概略構成を示す断面図である。図２４では、プレート１０７の構成が図２１の構成と同様である場合を示しているが、キャビテーション発生流路１０３の形状は特に限定されるものではない。この図２４に示す構成によれば、気泡保持流路１０４の形状を円筒形状とすることで、気泡保持流路１０４の加工コストを低減することができる。

図２５に示すノズルボディ先端部の構成においては、キャビテーション発生流路１０３及び気泡保持流路１０４がノズルボディ１１０のシート部１０６より上流側に形成されている。図２５では、ニードル１０１にノズルボディ１１０側へ突出した凸部１３４を形成することで、流入口にて流路断面積が急縮小するとともに流出口にて流路断面積が急拡大するキャビテーション発生流路１０３を形成している。気泡保持流路１０４については、キャビテーション発生流路１０３からの流入口が外周側（ノズルボディ１１０側）に配置されているのに対して、噴孔１０５への流出口が内周側（ニードル１０１側）に配置されている。そして、噴孔１０５は、ノズルボディ１１０の先端の中心部に形成されている。また、ニードル１０１のフルリフト状態においてシート部１０６から噴孔１０５に至る流路の最小断面積Ａ２がキャビテーション発生流路１０３の流路断面積（最小断面積）Ａ１より大きくなるように、ニードル１０１のフルリフト量が設定されている。さらに、（１）式で算出されるキャビテーション数Ｃｎが１．７以上となるように、ニードル１０１のフルリフト量を設定することが好ましい。

図２６に示すノズルボディ先端部の構成においては、図２５に示す構成と比較して、ニードル１０１の先端（噴孔１０５出口より下流）に傘状の突起部１１１が設けられている。この図２６に示す構成によれば、噴孔１０５から噴射された燃料（気液混合状態）は傘状の突起部１１１に沿って傘状に広がるため、ほぼ中空円錐状の広拡散噴霧を形成することができる。

図２７に示すノズルボディ先端部の構成においては、図２５に示す構成と比較して、凸部１３４にニードル１０１軸心に対して斜めに傾斜した複数の溝が形成されていることで、噴射弁内部を流れる燃料に噴射弁周方向の旋回流を発生させるためのスワーラ（旋回流発生流路）がキャビテーション発生流路１０３に形成されている。この図２７に示す構成によれば、気泡保持流路１０４で旋回流が形成され、旋回速度成分を持つ燃料が噴孔１０５から噴射される。噴射後の噴霧は遠心力によって半径方向に広がることで、ほぼ中空円錐状の広拡散噴霧を形成することができる。

なお、以上に説明した図１９〜２７の構成においては、前述の外開弁形式の場合と同様に、キャビテーション発生流路１０３の入口部の流路断面積を気泡保持流路１０４側へ向かうにつれて徐々に減少させることで、キャビテーション発生流路１０３の流量係数を高くしてもよい。また、キャビテーション発生流路１０３を先細りのテーパ形状にしてキャビテーション発生流路１の流路断面積を気泡保持流路１０４側へ向かうほど小さくすることで、キャビテーション発生流路１０３の流量係数を高くしてもよい。また、気泡保持流路１０４の壁面の形状が、キャビテーション発生流路１０３を流れる燃料噴流とほぼ対向している部分から噴孔１０５への流出口にかけて湾曲した曲面形状を含むことで、気泡保持流路１０４内における燃料流れの方向を滑らかに変化させて気相の液化を抑制してもよい。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の内部構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁のノズルボディ先端部の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の動作を説明する図である。 キャビテーション気泡の発生状態を流れの可視化実験により調べた実験結果を示す図である。 気泡のボイド率（体積分率）の数値解析結果を示す図である。 気泡のボイド率（体積分率）の数値解析結果を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。 ノズルボディ先端部の他の概略構成を示す図である。

符号の説明

１，１０３ キャビテーション発生流路、２，１０４ 気泡保持流路、３，１０５ 噴孔、５ ピントル、６ ポペット弁、７，１１０ ノズルボディ、１０１ ニードル、１０６ シート部、１０７，１０８，１０９ プレート。

Claims (7)

1. 燃料を噴孔から噴射する燃料噴射弁であって、
   噴射弁内部を流れる燃料にキャビテーション気泡を発生させるためのキャビテーション発生流路と、
   キャビテーション発生流路及び噴孔と連通し、キャビテーション発生流路により発生させたキャビテーション気泡を保持する気泡保持流路と、
   を有し、
   キャビテーション発生流路から気泡保持流路に移行する際の流路を急拡大させており、
   気泡保持流路は、キャビテーション発生流路を流れる燃料噴流の方向に対して噴孔への流出口がキャビテーション発生流路から気泡保持流路に移行する際の流路を急拡大させた方向へオフセットした状態で、キャビテーション発生流路及び噴孔と連通し、内部に渦を形成して渦中心付近にキャビテーション気泡を保持する流路であり、
   気泡保持流路内に保持されたキャビテーション気泡を含む燃料を噴孔から噴射することを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載の燃料噴射弁であって、
   気泡保持流路の断面積がキャビテーション発生流路の断面積より大きい状態で、燃料を噴孔から噴射することを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１または２に記載の燃料噴射弁であって、
   噴孔の断面積がキャビテーション発生流路の断面積より大きい状態で、燃料を噴孔から噴射することを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の燃料噴射弁であって、
   キャビテーション発生流路の入口部の断面積が気泡保持流路側へ向かうにつれて徐々に減少することを特徴とする燃料噴射弁。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載の燃料噴射弁であって、
   キャビテーション発生流路の断面積が気泡保持流路側へ向かうほど小さいことを特徴とする燃料噴射弁。
6. 請求項１〜５のいずれか１に記載の燃料噴射弁であって、
   気泡保持流路は、キャビテーション発生流路を流れる燃料噴流とほぼ対向している壁面の形状が噴孔への流出口にかけて湾曲した曲面形状を呈することを特徴とする燃料噴射弁。
7. 請求項１〜６のいずれか１に記載の燃料噴射弁であって、
   噴射弁内部を流れる燃料に旋回流を発生させるための旋回流発生流路がキャビテーション発生流路より上流部またはキャビテーション発生流路に形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。

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